钻井液钙侵及处理

实验11 钻井液的钙侵及其处理在钻进过程中，地层里的可溶性盐类（如石膏、岩盐、芒硝），各种流体（油、气、水）以及岩石细粒会使钻井液性能发生不符合施工要求，称之为钻井液受侵。

钻进石膏层和水泥塞时都会遇到钻井液受钙侵问题。

一、实验目的1．了解钙侵对钻井液性能的影响。

2．掌握钙侵后钻井液的处理方法。

二、实验原理当钻井液受到石膏或水泥侵时，在钻井液中由于CaSO4（固）===== Ca2++SO42-Ca（OH）2（固）=====Ca2++2OH-按照离子交换吸附的原理，石膏或水泥提供二价钙离子要置换吸附在粘土表面上的一价钠离子，使钠质粘土变为钙质粘土。

钙离子是二价的，它和粘土表面的吸附力量大于一价的钠离子，难于被呈极性的水分子“拉跑”，因而粘土的ζ电势减小，粘土颗粒聚结合并的斥力减小，颗粒变粗，网状结构加强加大，致使钻井液的滤失量、粘度、切力增大。

在处理时，首先加入稀释剂，使粘土颗粒适度絮凝，根据需要再加入适量降失水剂，从而得到满意的性能。

三、实验仪器设备及药品六速旋转粘度计，中压失水仪，密度计，高速搅拌器，电子天平，秒表，1000ml 搪瓷杯，秒表，pH试纸，CaSO4、SMT（或SMC），SMP、钻井液。

四、实验步骤1．此步由实验室人员在实验前完成。

在室温下(即水不加热)或加热条件下，配制比重为 1.05的原浆。

配制好后放置几天至十几天，让其中的粘土充分水化分散，使原浆性能基本稳定下来，临到本实验前加水稀释，冬天可稀释到漏斗粘度约为20～35秒，夏天可更稀，使漏斗粘度约为23～26秒。

稀释时供参考的加水量约为每升钻井液100～300ml。

2．以下各步由学生完成。

取700ml原浆于1000ml钻井液杯中，用密度计、六速旋转粘度计、气压失水仪、钢板尺、PH试纸分别测定密度(ρ)、表观粘度(AV)、静切力（GeL10“/10…）、API滤失量(FL)、泥饼厚度(H)和PH值，记录数据。

测定完性能的钻井液要倒回原1000ml钻井液杯中，泥饼，滤纸弃去。

钻井液配浆材料与处理剂一般来讲，钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分，例如膨润土、水、油和重晶石等。

处理剂则是指用于改善和稳定钻井液性能，或为满足钻井液某种性能需要而加人的化学添加剂。

处理剂是钻井液的核心组分，往往很少的加量就会对钻井液性能产生极大的影响。

但配浆原材料与处理剂之间并无严格的界限，有的文献将配浆原材料也归类在处理剂中。

钻井液原材料和处理剂的种类品种繁多。

为了使用和研究方便，有必要将它们进行分类。

目前主要有以下两种分类方法。

第一类分类方法是按其组成分类。

通常分为钻井液原材料、无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四大类。

其中无机处理剂又可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混合金属层状氢氧化物(即正电胶)类等。

有机处理剂通常可分为天然产品、天然改性产品和有机合成化合物。

按其化学组分又可分为下列几类：腐植酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。

第二类分类方法是按其在钻井液中所起的作用或功能分类。

我国钻井液标准化委员会根据国际上的分类法，并结合我国的具体情况，将钻井液配浆材料和处理剂共分为以下“类，即(1)降滤失剂(Filtration Reducer)；(2)增粘剂(Viscosifier)；(3)乳化剂(Emulsifier)使油水乳化产生乳状液；(4)页岩抑制剂(Shale inhibitor)；(5)堵漏剂(lost Circulation Material)；(6)降粘剂(Thinner)；(7)缓蚀剂(Corrosion inhibitor)；(8)粘土类(Clay)；(9)润滑剂(Lubricant)；(10)加重剂(Weighting Agent)；(11)杀菌剂(Bactericide)；(12)消泡剂(Defoamer)；(13)泡沫剂(Foaming Agent)；(14)絮凝剂(Flocculant)；(15)解卡剂(Pipe-Freeing Agent)；(16)其它类(Others)等。

钻井液受污染及性能调节一、实验目的和要求1.了解钠盐或钙对淡水钻井液性能的影响规律。

2.掌握受污染钻井液性能调节的处理原则和调节方法。

二、实验仪器、药品常规钻井液仪器一套，钻井液杯(1000ml)一个，电动搅拌器一台(公用)，药物天平一台(公用)，秒表、钢板尺各1，量筒(50ml)2个，pH试纸一盒，土粉、食盐、FCLS［２∶1(1/5)］，NaHm,石膏粉。

三、实验原理在钻井过程中，地层岩石里的可溶性盐类(如石膏、岩盐、芒硝)及各种流体、钻屑等进入钻井液，使钻井液性能不能满足正常钻井的需要，称之为钻井液受浸或污染。

我们这里主要讨论的是盐浸或钙浸对淡水钻井液性能的影响。

1.钙浸：钻进石膏层和水泥塞时都会遇到钻井液受钙侵问题。

石膏的化学成分是硫酸钙；水泥凝固产生氢氧化钙。

虽然它们在水里的溶解度不高，但都将提供钙离子。

即CaSO４（固) → Ca＋＋＋SO4＝-Ca(OH)２（固) → Ca＋＋＋2OH-而几百个ppm(百万分之一，如500ppm是指一百万份中有500份)的含钙量就足以使钻井液失去胶体性质。

原因何在?按照离子交换吸附的原理，由石膏或水泥提供的二价钙离子要置换吸附在粘土表面上的一价钠离子，使钠质粘土转变为钙质粘土。

钙离子是二价的，它和粘土表面的吸附力量大于一价的钠离子，难于被呈极性的水分子“拉跑”，即不容易解离，因此，当钠质粘土转变为钙质粘土后ζ电势减小，如图1所示。

图1 钙离子对粘土胶粒ζ电势的影响粘土颗粒ζ电势的变小，使得阻止粘土颗粒聚结合并的斥力减小，聚结一分散平衡即向着有利于聚结的方向变化，这样，钻井液中粘土颗粒变粗，网状结构加强和加大(图2)，致使钻井液的失水量、粘度、切力增大。

图2 平衡朝聚结方向变化，网状结构加强钠质土转变为钙质土后，另一个变化是粘土颗粒的水化程度降低，水化膜变薄。

据《粘土矿物学》(格里姆著)介绍，钙蒙脱石颗粒周围环绕将近四个分子层的吸附水(“非液体”)，钠蒙脱土仅仅三个，然而厚层的疏松的吸附水(“液体的”)在钙蒙脱土里却是很少的，分子力的作用在15的距离里突然中止了，在钠蒙脱土里定向水分子的距离大于100 (约40个水分子层)，如图3所示。

在实施钻井作业过程中，钻井液是必须使用的材料，这种特殊材料的使用可以大大提高钻井工作效率，对促进油气工业发展具有关键作用。

但是，在使用钻井液时，由于其成分的原因，很容易发生污染问题，不仅会对地层原油质量产生不利影响，同时也可能破坏到井下各种设备的使用寿命，因此，有必要采取一定科学措施解决钻井液污染问题。

一、钻井液常见污染问题分析1.硫化氢污染问题。

有些钻井液里含有少量的硫化氢，在使用钻井液过程中受沉积地层高温高压特性的影响下，硫化氢物质会迅速发生化学反应，造成硫化氢污染问题。

另外，在化学反应中还会出现甲硫醇，弱酸等成分。

这些成分的存在会降低钻井液的pH数值，钻井液质量会被严重破坏，不再保持胶体的整体形状。

氢化反应也会影响制造设备，从而加快腐蚀速度，减少设备的使用寿命。

2.石膏污染问题。

使用钻井液时石膏也是一种污染物，会影响钻井液的使用效果，一些大型油田使用的钻井液是不同类型的聚合物材料，这种钻井液在使用过程中抗污染能力差，很容易造成石膏污染问题。

石膏的介入会大大降低石油钻井液的PH值。

此外，一旦钻井液里含有石膏时，就会使钻井液稳定性变差，钻井液粘度增加降低了整体使用性能。

3.二氧化碳污染问题。

钻井液最常见的污染问题一般是二氧化碳污染，因为在钻井液制备过程中，经常会用到大量含有CO32物质的混合物。

其次，在对钻井平台进行直接固体控制中，会从空气直接混入大量二氧化碳气体。

最后钻井液中的一些成分在使用过程中会直接转化为甲烷，甲烷的介入会影响钻井液的pH值，进而导致钻井液被污染。

二、钻井液常见处理措施1.硫化氢处理。

形成硫化氢污染问题的主要原因是部分钻井液里含有一定量的硫化氢物质，为了解决这一问题，工作人员在选择钻井液的过程中，除了重视性能外，还应注意是否有其他污染成分。

如果钻井液发生严重的硫化氢污染，就应立即调整其pH值，在处理合理的情况下可使用适当Zn（OH）2CO3去除氢化物，但需要精确控制Zn2（OH）2CO3的使用量。

实验三泥浆钙侵及处理专业班级：石工08-8班姓名：黄伟学号：08021354一、实验目的1.了解一般淡水钻井液钙侵后性能的变化规律。

2.学会钙侵钻井液性能的调整。

二、实验原理1.钻井液钙侵后，原来的钠质土变为钙质土，其ξ电位降低，水化膜变薄。

粘土颗粒之间形成或增强絮凝机构。

从而导致钻井液粘度、切力上升，失水增大。

当钙侵到一定程度后，粘土颗粒继续变粗而沉淀，此时粘土分散度明显降低，是年度、切力转而下降，失水继续增大。

钻井液性能参数变化趋势见下图。

2.钙侵钻井液加入适量有机处理剂（稀释剂）后，一是拆散因钙离子作用形成较大、较强的粘土絮凝结构，使钻井液处于适度的絮凝状态，二是保护粘土颗粒使它保持适度尺寸，不至于结合而又变得过于大，从而使钻井液性能得到改善。

三、仪器、药品仪器：ZNN-D6粘度计一台.台秤药品：CMC.PT(教师配置)液。

四、实验步骤1.取原浆1000ml高搅5分钟，测其性能。

2.各组按下表加石灰，根据教师要求搅拌10分钟后测其性能。

我们是第1组，做的是生石灰加量为0.05%的一组。

3.根据加石灰后的钻井液性能，加适量稀释剂和降失水剂使其性能得到恢复。

处理剂加量参考下表：注意:丹宁碱液本实验不使用了，改用PT和丹宁碱液效果一样。

丹宁碱液配制：丹宁：烧碱=1：1~1：2（质量比）丹宁碱液浓度=1/10~1/15五、实验数据及处理1.将所得数据及计算结果整理列表。

2给出钻井液粘度、动切力以及失水随石灰加量的变化曲线并简要解释。

六、注意事项1.加量的单位为g/ml,例如0.05%表示每100ml 有0.05g 生石灰。

2.加生石灰后高搅15分钟。

3.加CMC 后高搅10分钟。

4.加PT 后高搅5分钟。

七、实验数据处理1.整理表格 由公式 ).(6002/1s mP φη=计算各组钻井液粘度))(6003002(511.0Pa φφτ-=计算各组动切力，结果见下表： 所得实验数据表2.钻井液性能变化趋势图变化原因分析：τ、ηa的变化原因是钻井液钙侵后，原来的钠质土变为钙质土，压缩其扩散双电层，其ξ电位降低，水化膜变薄，粘土颗粒间形成或增强絮凝结构，从而导致钻井液粘度、切力上升、失水增大。

钻井液钙浸及处理1、钻井液中钙离子的来源。

钻井液中钙离子的来源有（1）钻遇石膏层和膏质泥岩地层,（2）钻遇盐水浸,（3）钻水泥塞，（4）配浆水是硬水，（5）石灰作为钻井液添加剂等。

在上述情况下钻井液中都会解离出钙离子。

除（5）外，前四种都为钻井液钙离子污染。

石膏和石灰在水中的溶解性能。

石膏和石灰在水中的溶解度都不大。

但只要有少量的溶解，就会对钻井液造成严重的污染。

CaSO 4←→Ca2+ + SO 42- 。

石膏含结晶水不同溶解度也不同，室温下二水石膏为2.08g/L，α-半水石膏为6.20g/L，β-半水石膏为8.15g/L，可溶性无水石膏为6.30g/L，天然无水石膏为2.70g/L。

石膏溶解度受溶液酸碱性，盐含量等影响。

Ca(OH)2←→Ca2+ +2OH- 氢氧化钙溶解度随温度的升高而降低，见下表。

2、钙离子破坏钻井液的性能。

钙离子与钻井液的作用，（1）钙离子与钠蒙脱土的钠离子发生离子交换反应，使钠土转换成钙蒙脱土，钙蒙脱土水化能力很弱，因而使钻井液粘度、切力和滤失量增大，严重时会使钻井液固液分层，流变性和滤失量完全失控；（2）钙离子与含有羧酸根的钻井液处理剂发生作用生成水不溶性羧酸钙，使处理剂失去作用；（3）钙离子与钻井液磺化处理剂中的磺酸根离子生成水溶性很差的磺酸钙，使相当一部分处理剂失去作用。

所谓磺化酚醛树脂抗盐，是相对于聚合物处理剂而言，并不是说钻盐膏层只要把磺化处理剂加足，不处理钙离子就可以了。

用这中处理办法，处理剂加的再多也无法将钻井液处理好。

所谓抗盐钙或曰抗复合盐处理剂都是在其中加了大量的纯碱，并不是处理剂本身抗盐钙。

真正抗钙离子的处理剂国内外还没有研究出来那！3、钻井液钙浸的处理方法。

钻井液钙浸的处理方法有两种，一是在钻达含盐膏和石膏地层前将钻井液转化成钙处理钻井液，二是使用除钙剂将钙离子除去。

根据钙离子的来源，除钙剂常用碳酸钠和碳酸氢钠或酸式焦磷酸钠（Na2H 2P 2O7）。

钻井液水泥钙侵问题分析与处理技术研究张正;张统得【摘要】In the operation of casing cementing and hole cement sealing of drilling construction, the cement pollution to drilling fluid is inevitable, which will change the property of the drilling fluid to affect the drilling requirement.According to this problem, by the hydration mechanism of cement and based on the theory of electric double layer produced by clay par-ticle dispersion, the paper analyzed the causes of cement pollution to drilling fluid and put forward a set of effective solution.% 在钻探施工的下套管固井、水泥封孔等作业中，不可避免地会发生水泥对钻井液的污染，使钻井液性能发生改变，不能满足正常钻进工作需要。

针对这一问题，从水泥水化机理出发，结合粘土颗粒扩散双电层理论分析了水泥对钻井液污染的，并针对其钙侵特点提出一套行之有效的解决方案，对以后的水泥固井、水泥封孔施工的钻井液处理和维护有借鉴意义。

【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】3页(P32-34)【关键词】钻井液;水泥钙侵;处理方法【作者】张正;张统得【作者单位】安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安237010;成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】P634.60 引言在钻井过程中，常有来自孔内、孔壁的各种污染物进入钻井液中，使其性能发生破坏性变化，这种现象常称为钻井液受侵。

钻井液污染物及处理钻井过程中，常有来自地层的各种污染物进入钻井液中，使其性能发生不符合施工要求的变化，这种现象称为钻井液污染。

有的污染物严重影响到钻井液的流变性和滤失性能，有的加剧对钻具的损坏和腐蚀。

当污染严重时，只有及时的对钻井液性能进行调整，或则用化学方法清除它们，才能保证钻进的正常进行，下面对钻井液污染问题进行了详细讨论1.Ca2+/Mg2+的污染淡水粘土型钻井液受Ca2+/Mg2+的污染后粘度和失水增加，Ca2+/Mg2+来源于配浆水、地层水或挥发岩中。

处理方法如下：1.1 从地层或配浆水溶解出来的Ca2+一般用纯碱处理：Ca2+ + Na2CO3 CaCO3↓+ 2Na+(1.0 mg/l Ca2+需0.00265kg/m3的Na2CO3)pH值升高有助于减少钙的溶解。

1.2 硬石膏/石膏的污染(CaSO4/CaSO4. H2O)石膏地层从只有几厘米到几千米厚不等，钻这种地层会引起钻井液絮凝和失水失控等问题，这是因为Ca2+浓度增大所引起的。

如果石膏层不太厚，就用纯碱处理：CaSO4 + Na2CO3 CaCO3↓+ Na2SO4可能需要添加抗高温淀粉或聚阴离子纤维素来控制失水，用铁络盐降粘度，若是巨厚的石膏层，可能要转换成与石膏相容的钻井液体系，这可以通过增加铁络盐、烧碱和降失水剂转换成石膏钻井液体系来达到。

1.3 Mg2+的污染若用海水和高含镁地层水作为配浆水便会遇到Mg2+的污染问题，污染的影响与Ca2+污染相似，Mg2+污染常用烧碱处理，体系中大部分的Mg2+在pH值大于10.5时沉淀下来：Mg2+ + 2NaOH Mg(OH)2↓+ 2Na+（1.0mg/lMg2+需0.00331kg/m3的NaOH)应用举例：6月份我公司马厂区块马19-19井水源井化学水分析结果： Ca2+7.62mg/l、Mg2+ 1118.49mg/l和Cl- 4290mg/l，其它SO42-、HCO3-和CO3-为零。

钻井液污染物及处理Ca2+/Mg2+的污染淡水粘土型泥浆受Ca2+/Mg2+的污染后粘度和失水增加，Ca2+/Mg2+来源于配浆水层水1. 硬石膏/石膏的污染(CaSO4/CaSO4. H2O) 石膏地层从只有几英寸到几千英尺厚不等，钻这种地层会引起泥浆絮凝和失水失控等问题，这是因为Ca2+浓度增大所引起的。

如果石膏层不太厚，就用纯碱处理：CaSO4 + Na2CO3 CaCO3↓+ Na2SO4 可能需要添加抗高温淀粉或聚阴离子纤维素来控制失水，用铁络盐降粘度，若是巨厚的石膏层，可能要转换成与石膏相容的泥浆体系，这可以通过增加铁络盐、烧碱和降失水剂转换成石膏泥浆体系来达到。

1. Mg2+的污染若用海水作为配浆水便会遇到Mg2+的污染问题，污染的影响与Ca2+污染相似，Mg2+污染常用烧碱处理，体系中大部分的Mg2+在pH值大于10.5时沉淀下来：Mg2+ + 2NaOH Mg(OH)2↓+ 2Na+ (1. 0mg/lMg2+需0.00116 lb/bbl的NaOH)水泥/石灰的污染当固井作业或钻开水泥塞时便造成水泥污染，污染的严重性与污染时泥浆状态和水泥状态有关，泥浆状态包括固相含量、抗絮凝剂的浓度等，水泥状态指水泥的胶结程度，胶结差的水泥(有时叫绿水泥)比胶结好的水泥造成更严重的污染，水泥由几种复杂的钙化合物组成，这些化合物与水反应都会生成Ca(OH)2，100当量的水泥会生成79当量的Ca(OH)2，石灰会使淡水粘土型泥浆絮凝，引起粘度和失水的上升，处理Ca(OH)2的污染涉及到降低pH值和控制Ca2+的浓度。

1. 处理方法可用下述一种或几种方法结合来处理水泥污染： a. 废弃如果污染严重，处理不实际时，把污染最严重的那部分泥浆废弃不要或按石灰泥浆来处理。

b. 小苏打(NaHCO3)处理：小苏打与Ca2+反应生成不溶的CaCO3，由于在钻水泥时pH值较高，Ca2+的浓度一般不超过200～400mg/l：Ca(OH)2 + NaHCO3 CaCO3↓+ NaOH + H2O(1.0mg/lCa2+需0.00074 lb/bbl的NaHCO3) 这反应只中和了一半的OH- ，另一半转变为NaOH，这会导致PH值升高，可通过有机酸(铁络盐或腐植酸)与小苏打一起加入来解决。